隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備正在向著輕薄化和柔性化的方向進(jìn)行發(fā)展，例如三星和LG都推出了自家的柔性可折疊的屏幕，并且正在計(jì)劃推出可折疊的手機(jī)等產(chǎn)品，目前顯示組件和電路都可實(shí)現(xiàn)柔性和可折疊，目前的挑戰(zhàn)就是可以折疊的儲能電源產(chǎn)品，傳統(tǒng)的鋰離子電池、超級電容器等產(chǎn)品，不但體積笨重，而且還無法折疊，在體積變化過大時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致正負(fù)極之間發(fā)生短路，引發(fā)熱失控，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。因此為了適應(yīng)下一代柔性電子設(shè)備的發(fā)展，鋰離子電池的發(fā)展方向也應(yīng)向著柔性、可折疊的方向進(jìn)行發(fā)展。

對于鋰離子電池和超級電容器等化學(xué)電源來說，實(shí)現(xiàn)柔性的阻礙是集流體的柔性化設(shè)計(jì)，不但要保證柔性電極具有良好的機(jī)械性能，還要具有良好的電化學(xué)性能。從今天開始，我們將分兩篇為大家介紹柔性儲能電源設(shè)計(jì)的發(fā)展情況，包含柔性鋰離子電池和柔性超級電容器兩個部分。

為了實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的柔性化設(shè)計(jì)，人們對多種路線進(jìn)行了嘗試，例如聚合物電池、纖維素基電池和紙基電池，研究顯示對鋰離子電池折疊性能影響的是電極和集流體的設(shè)計(jì)，下面我們就按照技術(shù)方向?qū)δ壳叭嵝凿囯x子電池設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹。

柔性紙電池

說起紙張大家都不陌生，造紙術(shù)是我國四大發(fā)明之一，雖然不清楚為什么我們什么都喜歡湊四個，像什么四大名著、四大才子、四大家族了，但是造紙術(shù)的發(fā)明確實(shí)對人類文明發(fā)展的進(jìn)程產(chǎn)生了重大的影響。紙張表面粗糙，孔隙率高，十分適合離子的擴(kuò)散，而且紙張具有柔性可折疊的特點(diǎn)，因此十分適合用于生產(chǎn)柔性鋰離子電池。在鋰離子電池中，紙張既可以用作集流體，也可以用作隔膜，當(dāng)然這需要對傳統(tǒng)的紙張進(jìn)行改性處理，例如在紙張的表面涂布一層多壁碳納米管SWCNTs以增強(qiáng)紙張的導(dǎo)電性，以碳納米管CNT與纖維素復(fù)合制成具有良好導(dǎo)電性的柔性電極，當(dāng)然紙也可以作為隔膜，在近的一項(xiàng)報(bào)道中，以多壁碳納米管薄膜為集流體，并分別涂布正、負(fù)極活性物質(zhì)，以紙張作為隔膜和支撐結(jié)構(gòu)，電池不僅具有良好的可折疊特性，還具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，特別是該電池的自放電性能，存儲350h，電壓僅下降5.4mV。

3D電極柔性鋰離子電池

鋰離子電池的容量和倍率性能與電極的活性面積有著密切的關(guān)系，通過對鋰離子電池的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加電極的活性面積，提高Li+的擴(kuò)散動力學(xué)條件是提升鋰離子電池性能的重要途徑。近的研究發(fā)現(xiàn)，具有3D結(jié)構(gòu)的碳紡織品具有良好的導(dǎo)電性能還具有的機(jī)械性能，因此十分適合用來取代傳統(tǒng)的金屬集流體。通過在碳纖維的表面生長一層ZnCo2O4納米線材料，負(fù)極的比容量可以達(dá)到1300mAh/g，以該材料作為負(fù)極，鈷酸鋰作為正極制成的鋰離子電池在彎折的情況下也能夠正常工作，耐久性試驗(yàn)中，該電池彎折數(shù)百次后仍然能夠正常工作，但是目前碳紡織品材料的主要問題是面密度太高，影響電池的能量密度提升。如果使用超薄鈦箔作為集流體，涂布一層具有3D結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)，可以顯著的提升電池的倍率性能，同時(shí)保證良好的柔性。近新興的石墨烯泡沫材料，由于質(zhì)量輕，導(dǎo)電性好，擁有極好的可折疊性，吸引了廣泛的關(guān)注，例如研究顯示，以Li4Ti5O12與石墨烯泡沫形成復(fù)合材料，在200C的超高倍率下，仍然能夠獲得86mAh/g的比容量，并且保持了良好的可折疊性，在彎曲半徑達(dá)到5mm時(shí)，容量僅輕微的降低了1%。

全固態(tài)電解質(zhì)

傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)，由于熱穩(wěn)定、機(jī)械穩(wěn)定差等問題，使得柔性電池的可彎曲性受到了很大的限制，而近年來發(fā)展起來的塑料晶體電解質(zhì)恰好解決了傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)穩(wěn)定性差的問題，塑料晶體電解質(zhì)主要由鋰鹽和塑料晶體組成，具有良好的熱穩(wěn)定性和較好的離子電導(dǎo)率，但是傳統(tǒng)的塑料晶體電解液在室溫下更多呈現(xiàn)出液體的行為，因此導(dǎo)致其存在機(jī)械性能差等問題，需要通過相應(yīng)的改造手段進(jìn)行改造，通過在在塑料晶體電解質(zhì)中添加PET纖維，可以顯著的改善塑料晶體電解質(zhì)的機(jī)械性能，以LiCoO2為正極，Li4Ti5O12為負(fù)極，以經(jīng)過強(qiáng)化處理的塑料晶體電解質(zhì)為電解質(zhì)和隔膜，該電池表現(xiàn)出了良好的可彎曲性，即使在纏繞幾圈的前提下，依然能夠正常工作。但上述電解質(zhì)的厚度一般為25um左右，還無法滿足輕薄化鋰離子電池的設(shè)計(jì)需求，于是人們對鋰磷氧LPON材料進(jìn)行研究，該固體電解質(zhì)的厚度可以做到2um，仍然能夠保持良好的電化學(xué)性能。

柔性離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于柔性電子元器件的設(shè)計(jì)，對其設(shè)計(jì)限制的就是電池的形狀，相比于傳統(tǒng)的片狀電池，線型鋰離子電池在這方面具有天然的優(yōu)勢，例如近LG化學(xué)公司就推出了一款，線型鋰離子電池，該電池具有中空螺旋型的負(fù)極結(jié)構(gòu)，改性無紡布隔膜，和外部的正極結(jié)構(gòu)，該電池電壓平臺3.5V，容量線密度為1.0mAh/cm，該電池具有良好的可彎曲性，更為重要的是該電池不必像傳統(tǒng)的鋰離子電池那樣安置在電子設(shè)備的內(nèi)部，可以放置在任何地方，因此可以極大的方便可穿戴設(shè)備的使用。

隨著可延展電子設(shè)備的發(fā)展，柔性電子設(shè)備不僅要承受彎曲變形，還要能夠彎曲，拉伸和壓縮等受力形式，因此為可延展電子設(shè)備提供儲能電池是一個巨大的挑戰(zhàn)，目前一條可行的技術(shù)方案是進(jìn)行單元化設(shè)計(jì)，也就是將傳統(tǒng)的整個鋰離子電池分割成一個一個獨(dú)立的小單元，一般是以彈性硅膠薄膜作基體，不同的小單元之間相互連接。通過測試，該方法制備的電池可以延展到300%以上，仍然能夠保持良好的電化學(xué)性能。

目前柔性鋰離子電池的設(shè)計(jì)還僅僅是起步階段，還有許多問題需要解決，例如，如何在保證電池具有良好的機(jī)械性能的前提下提升鋰離子電池的比能量和安全性能，這需要在電解設(shè)計(jì)和電解液設(shè)計(jì)，以及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上共同著手才能完成。